內(nèi)蒙古大學(xué)傳感器與檢測技術(shù)講義第18章監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

第18章監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

電磁干擾是普遍存在且經(jīng)常發(fā)生的。為了使硬件系統(tǒng)能和諧、正常地工作，不至于因電磁干擾而造成性能改變或受到損壞，設(shè)計者在設(shè)計系統(tǒng)時必須從各個側(cè)面多方考慮。

18.1概述

1.抗干擾的三要素

形成電磁干擾必須同時具備以下3個因素：

電磁干擾源，是指產(chǎn)生電磁干擾的元件，器件、設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。

耦合途徑，是指能把能量從干擾源耦合（或傳輸）到敏感設(shè)備上，并使該設(shè)備產(chǎn)生響應(yīng)的媒介。

敏感設(shè)備（或稱被干擾設(shè)備），是指對電磁干擾產(chǎn)生響應(yīng)的設(shè)備。

所有的電磁干擾都是由上述3個因素的組合而產(chǎn)生的，把他們成為電磁干擾三要素。

敏感設(shè)備

耦合途徑

電磁干擾源

圖18-1電磁干擾的三要素

2.電磁干擾源的分類

電磁影響的起源可以來自自然界或是人為的。

電磁干擾源有許多種劃分方法。按功能劃分，有功能性干擾源和非功能性干擾源；按性質(zhì)劃分，有自然干擾源和人為干擾源；按傳輸方式劃分，有傳導(dǎo)干擾源和輻射干擾源；按頻帶劃分，有窄帶干擾源和寬帶干擾源等。功能性干擾源是指設(shè)備實現(xiàn)功能過程中造成對其他設(shè)備的直接干擾；非功能性干擾源是指用電裝置在實現(xiàn)自身功能的同時伴隨產(chǎn)生或附加產(chǎn)生的副作用。

電磁干擾源通過傳導(dǎo)或輻射形式施加電磁干擾。傳導(dǎo)干擾是指干擾能量沿著導(dǎo)線以電流的形式傳播；輻射干擾是指干擾能量以電磁波的形式傳播。圖18-2是干擾源的分類。

圖18-2電磁干擾源的分類

3.電磁干擾的危害

電子設(shè)備和系統(tǒng)受強(qiáng)電設(shè)備干擾或系統(tǒng)內(nèi)部的電磁影響造成性能下降或不能工作的情況是電磁干擾最為常見的危害。概括而言，電磁干擾對人類活動有三大危害：

=1\*GB3

①

電磁干擾會破壞或降低電子設(shè)備的工作性能；

=2\*GB3

②

電磁干擾可能引起易燃易爆物的起火或爆炸，造成武器系統(tǒng)的失靈、儲油罐起火爆炸，帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡；

=3\*GB3

③

電磁干擾可對人體組織器官造成傷害。危及人類的身體健康。

4.干擾的耦合方式

任何電磁干擾的發(fā)生都必然存在干擾能量的傳輸和傳輸途徑。通常認(rèn)為電磁干擾傳輸有兩種方式：一種是傳導(dǎo)方式，一種是輻射方式。因此，從被干擾的敏感角度來看，干擾的耦合方式可分為傳導(dǎo)耦合和輻射耦合兩類。

傳導(dǎo)耦合

傳到耦合按其機(jī)理可分為3種基本的耦合形式，即電阻性耦合、電感性耦合和電容性耦合。在實際情況中，他們往往是同時存在?；ハ嗦?lián)系的。

=1\*GB3

①

電阻性耦合

電阻性耦合是最常見最簡單的傳導(dǎo)性耦合方式。其耦合途徑為載流導(dǎo)體，如兩個電路的連接導(dǎo)線、設(shè)備之間的信號連線。電源負(fù)載之間的電源線等。

=2\*GB3

②

靜電耦合

靜電耦合又稱為電容耦合，干擾源與被干擾電路之間存在著電容通路。顯然，這種電容一般不是人為加上的，而是兩者之間的分布電容。干擾脈沖或其他高頻干擾就會經(jīng)過分布電容耦合到電子線路中，如圖18-3所示。

(a)示意圖(b)等效電路

圖18-3干擾的靜電耦合

利用圖18-3(b)等效電路，可以分析干擾的影響。若干擾信號U=5V，分布電容為0.1pF，信號頻率為1MHz，放大器輸入阻抗為100kQ，則此干擾在放大器輸入端所造成電干擾信號Uz=3120mV。可見，干擾電壓在放大器的輸入端已達(dá)到314mV，經(jīng)放大器放大則其影響是難以預(yù)料的。

=3\*GB3

③

電磁耦合

電磁耦合又稱互感耦合，它是由于兩電路之間存在著互感而產(chǎn)生，一個電路中電流的改變引起磁交鏈而耦合到另一電路。若某一電路有干擾，則同樣可以通過互感而耦合到另一電路中。其等效電路如圖18-4所示。

根據(jù)圖18-4，若干擾源的電流為I，頻率為f，而兩電路的互感系數(shù)為M。則該干擾在電路負(fù)載Rz的干擾為：

（18-1）

可見，干擾的大小正比于干擾電流I、互感系數(shù)M和干擾的頻率f。同時，需注意的是任何兩電路，任何兩條導(dǎo)線之間，必定存在著互感，只是互感系數(shù)的大小不同而已。

圖18-4電磁耦合等效電路

18.2電源電路的抗干擾設(shè)計

電源電路是電子電路能量供應(yīng)部分?，F(xiàn)在一般的電子電路幾乎都采用由市電變換成直流來供電的，由于電子電路通過電源電路接到試點電網(wǎng)，所以電網(wǎng)的噪聲通過電源電路干擾電子電路，這是電子電路受干擾的主要原因之一。所以電源電路是電子電路的抗干擾的一個關(guān)鍵所在。

電源變壓器的抗干擾措施

（1）變壓器初、次級的屏蔽

電源變壓器的初次級之間存在著分布電容。由于初級和次級線圈靠的很近，因此它們之間的分布電容可以大到數(shù)百pF。這種分布電容不僅電容量大，而且有十分好的頻率特性，對高頻噪聲有很低的阻抗。要抑制這種電容性耦合的噪聲，很自然的想到加靜電屏蔽的方法。在初次級之間加屏蔽，并將屏蔽層接地，如圖18-5所示。

圖18-5變壓器一次側(cè)、二次側(cè)的屏蔽

在圖18-5中，在初級加屏蔽并接地，就可以大大減小初次級的分布電容。例如，一個約200V的小型電源變壓器，其初級或次級對屏蔽層的容量為500pF，也就是說如果屏蔽層不接地，初次級的分布電容大約為250pF，當(dāng)屏蔽接地之后可減小到20pF以下，如果再加上Cp1和Cp2這兩個0.047pF電容，并且與屏蔽層共同接地，則變壓器的屏蔽能力會更加完善。

（2）電源變壓器初級線圈的平衡式繞制

將初級線圈分作兩部分同時繞制，再將它們串聯(lián)在一起，這就是所謂初級平衡式繞法。這樣的繞法可以減小漏電流，還對抑制共模干擾有一定效果。

（3）防雷變壓器

這種變壓器實際上就是一個加屏蔽的絕緣變壓器，附加附加避雷器、浪涌吸收器件、電容器等組成。

防雷電變壓器除了能夠抑制因雷擊或雷電感應(yīng)所產(chǎn)生的浪涌電壓外，它對抑制電網(wǎng)中的其他干擾也具有十分良好的性能。一種常用的小型防雷電變壓器的結(jié)構(gòu)如圖18-6所示。

圖18-6小型防雷電變壓器的結(jié)構(gòu)

圖18-6所示的防雷電變壓器有以下的特點：

=1\*GB3

①

絕緣變壓器的初級和次級均采用平衡式繞制。

=2\*GB3

②

初級繞組和次級繞組之間加靜電屏蔽。

=3\*GB3

③

如果以防浪涌為目的，則保留浪涌吸收器SVA1～SVA4并去掉避雷器SZ。

=4\*GB3

④

次級加兩個容量為10μF的金屬化紙介電容器。

=5\*GB3

⑤

該變壓器還可以抑制共模和串模干擾。（SVA1和SVA2可以有效地抑制共模干擾，而SVA3和SVA4對串模干擾有著較好的抑制作用）

（4）減少電源變壓器的泄漏磁通

電源變壓器的泄漏磁通本身就是一種干擾，必須采取措施盡可能減少泄漏發(fā)生。通?？刹捎孟率龅囊恍┐胧?/p>

=1\*GB3

①

采用平衡繞制法在初級和次級各在左右鐵心上兩邊繞制相同的圈數(shù)，而后再各自并接。（串接也有相同效果）

=2\*GB3

②

采用泄漏小的鐵心，一般來說，EI型鐵心變壓器的漏磁要大一些，而環(huán)型鐵心變壓器的漏磁要小一些。

=3\*GB3

③

在變壓器鐵心上加短路環(huán)，短路環(huán)中電流產(chǎn)生的磁通可抵消漏磁通。

=4\*GB3

④

改變變壓器的安裝位置，可以抑制磁通的泄漏及其影響。

（5）噪聲隔離變壓器

噪聲隔離變壓器是近年來為抗干擾而專門研制的一種電源變壓器。它的性能比屏蔽變壓器更好。

噪聲隔離變壓器的鐵心材料與一般變壓器不同，其導(dǎo)磁率在高頻時會急劇下降。同時，這種變壓器在其繞組和變壓器外部都采取了多層電磁屏蔽措施。正是它的這些特性，使它在抗共模及差模干擾性能上更加優(yōu)越。

噪聲隔離變壓器最大的優(yōu)點是在初級輸入有較大的高頻噪聲干擾時，此干擾也很少能耦合到變壓器的次級。它可以抑制電網(wǎng)中幅度高達(dá)5000V的高頻脈沖干擾。同時，這種變壓器對雷電引起的浪涌也有很大的抑制效果。

噪聲隔離變壓器常用于如下的場合中：

1)當(dāng)硬件系統(tǒng)采用浮地時；

2)電網(wǎng)中干擾的頻率范圍很寬時；

3)當(dāng)?shù)皖l共模干擾比較嚴(yán)重時；

4)當(dāng)不允許系統(tǒng)的干擾反饋到電網(wǎng)中去時。

電源濾波器

電源濾波器是一種讓電源頻率附近的頻率成分通過，而給高于這種頻率成分以很大衰減的電路。

電源濾波器不僅可以接在電網(wǎng)輸入處，以阻止電網(wǎng)中的噪聲進(jìn)入，也可以接在輸出處，以抑制噪聲輸出。它不僅可以接在交流的輸入輸出上，也可以接在直流的輸入輸出上。

（1）交流電源濾波器

=1\*GB3

①

電容濾波器這是最簡單的濾波器，就是在交流輸入端并上兩個電容，可以濾除電網(wǎng)中的一些高頻干擾。

（a）(b)

圖18-7電容濾波器

=2\*GB3

②

電容電感濾波器電容濾波器盡管簡單，但效果較差。為此，可采用如圖18-16所示的電容電感濾波器。

(b)

圖18-8電容電感濾波器

=3\*GB3

③

使用抗共模扼流圈的電源濾波器一種能夠抑制共模及串模干擾的電源濾波器如圖18-9所示。

圖18-9抑制串模和共模干擾的電源濾波器

選擇不同的電源濾波器的電感和電容參數(shù)，可濾除不同頻段上的干擾。當(dāng)選擇的參數(shù)大時，可以濾除頻率低的干擾；反之，可以濾除頻率高的干擾。前者體積、重量較大；而后者則小。

濾波防雷模塊

目前，廠家為用戶提供了許多專門用于電源的濾波防雷模塊。例如，587B×××LPE系列模塊就具有防雷電（浪涌）及交流濾波雙重功能，這類模塊的引線如圖18-10所示。

（a）二極管（b）三極管

圖18-10氣體放電管的符號

圖18-11587B×××LPE系列濾波防雷模塊引線圖

圖18-11所示的587B×××LPE系列防雷模塊的主要技術(shù)參數(shù)為

最高輸入相電壓（對中線）：240V；

最大輸入電流：6～30A（視型號而定）；

保護(hù)峰值電壓：6000V；

瞬時峰值電流：3000A。

電源穩(wěn)壓器

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生過高或過低的情況時將輸入電網(wǎng)電壓大的波動進(jìn)行穩(wěn)壓，保證在輸入電網(wǎng)電壓變化時使其輸出的交流電壓保持不變或變化很小。

交流穩(wěn)壓器分為兩大類：電磁式交流穩(wěn)壓器和電子式交流穩(wěn)壓器。經(jīng)驗表明電磁式交流穩(wěn)壓器的抗干擾性能優(yōu)于電子式交流穩(wěn)壓器。有關(guān)交流穩(wěn)壓器的原理這里不做說明。在設(shè)計電源系統(tǒng)時，可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求選用穩(wěn)壓精度和合適功率的交流穩(wěn)壓器。

瞬態(tài)抑制器

在交流電網(wǎng)進(jìn)線端并聯(lián)壓敏電阻、瞬變電壓抑制器（TVS）、氣體放電咱、管和固體放電管等瞬態(tài)抑制器，用于吸收電網(wǎng)中的浪涌電壓。同時還可以作為一種防雷措施。

壓敏電阻和瞬變電壓抑制器（TVS）是具有非線性伏安特性曲線的器件，可以作為浪涌電壓的鉗位元件。氣體放電管（包括固體放電管在內(nèi)）是一種引導(dǎo)型元件，在遭受浪涌電壓激勵之后，由于器件的負(fù)阻特性，轉(zhuǎn)為低阻抗、低電壓、大電流的導(dǎo)通狀態(tài)，通過它能較好的轉(zhuǎn)移浪涌鎖擁有的能量。因此在那些可能經(jīng)常受到雷擊影響的地方，在電源的輸入端可并接上氣體放電管。

18.3處理器（計算機(jī)）部分的抗干擾設(shè)計

在檢測系統(tǒng)中，計算機(jī)既可以購買現(xiàn)成的，進(jìn)行系統(tǒng)集成，也可以自己進(jìn)行設(shè)計。在許多情況下，檢測系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、規(guī)模、體積、重量、安裝方式、耗電等方面有特殊要求，很可能無現(xiàn)成計算機(jī)可用，這時就需自行設(shè)計。無論是系統(tǒng)集成還是自行設(shè)計，在整個系統(tǒng)設(shè)計過程中，均需要從抗干擾角度出發(fā)，采取一定的措施。

單片機(jī)系統(tǒng)是一個含有多種電子元器件和電子部件（乃至子設(shè)備和子系統(tǒng)）的復(fù)雜電子系統(tǒng)，外來的電磁輻射和傳導(dǎo)干擾，以及內(nèi)部元器件之間、部件之間、子系統(tǒng)之間、各傳送通道之間的相互干擾對單片機(jī)及其數(shù)據(jù)信息所產(chǎn)生的干擾與破壞，嚴(yán)重影響了單片機(jī)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性、可靠性和安全性。所以對單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計人員來說，要保證系統(tǒng)各項功能實現(xiàn)的同時，對其運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種干擾信號以及來自于系統(tǒng)外部的干擾信號進(jìn)行有效的抑制，是決定系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。

1.單片機(jī)系統(tǒng)電磁干擾的來源

單片機(jī)的干擾是以脈沖形式進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)的，其主要渠道有3條，即空間、供電系統(tǒng)及信號通道。

空間干擾多發(fā)生在高電壓、大電流、高頻磁場附近，通過靜電感應(yīng)。電磁感應(yīng)等方式入侵系統(tǒng)內(nèi)部。

供電系統(tǒng)的干擾通過同一電網(wǎng)里用電設(shè)備工作時產(chǎn)生的噪聲干擾和瞬變干擾來影響單片機(jī)工作。

信號通道的干擾則通過輸入通道和輸出通道侵入系統(tǒng)。

此外，接地的不可靠也是產(chǎn)生系統(tǒng)干擾的重要原因。

2.干擾的不良影響

(1)數(shù)據(jù)采集誤差加大

當(dāng)干擾侵入單片機(jī)系統(tǒng)的前向通道，疊加在有用信號之上，會使數(shù)據(jù)采集誤差增大。如果有用信號比較微弱，那么干擾就更加嚴(yán)重。

控制狀態(tài)失靈

單片機(jī)系統(tǒng)中，控制狀態(tài)輸出常常是依據(jù)某些條件的輸入和條件狀態(tài)的邏輯處理結(jié)果。在這些環(huán)節(jié)中，由于干擾的侵入，都會造成條件狀態(tài)偏差、失誤，致使輸出控制誤差加大，甚至控制失靈。

數(shù)據(jù)發(fā)生變化

在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，雖然ROM能避免干擾破壞，但單片機(jī)片內(nèi)、外RAM以及片內(nèi)各種特殊功能寄存器等的狀態(tài)都有可能受干擾而變化，造成數(shù)值誤差，程序狀態(tài)改變，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常。

程序運(yùn)行失常

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的程序運(yùn)行正常與否與單片機(jī)中程序計數(shù)器PC的正常狀態(tài)息息相關(guān)，一旦外部干擾使PC值產(chǎn)生改變，程序運(yùn)行就會偏離原來設(shè)定的方向，致使程序失控，甚至?xí)钩绦蛳萑胨姥h(huán)而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

3.單片機(jī)系統(tǒng)抗電磁干擾的措施

單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾就是針對干擾產(chǎn)生的性質(zhì)、傳播途徑、侵入的位置和侵入的形式，采取相應(yīng)的方法消除干擾源，抑制干擾傳播途徑，減弱電路或元件對噪聲干擾的敏感性，使單片機(jī)系統(tǒng)能正常、穩(wěn)定的運(yùn)行。干擾的抑制方法，一般分為硬件抗干擾和軟件抗干擾。

硬件抗干擾技術(shù)

硬件抗干擾是單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計的重要途徑，其涉及面非常廣泛，在設(shè)計過程中應(yīng)遵循的基本原則是抑制干擾源、隔斷干擾傳播路徑、提高敏感器件的抗干擾性能。主要從以下幾個方面進(jìn)行設(shè)計:

1）合理選擇處理器及元器件

選擇合適的處理器，對實現(xiàn)用戶需求、提高系統(tǒng)性能、降低系統(tǒng)成本和縮短開發(fā)周期都是十分重要的。

=1\*GB3

①

單片機(jī)的選擇不光考慮硬件配置、存儲容量等，更要選擇選擇抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)。

=2\*GB3

②

應(yīng)選擇接口驅(qū)動能力強(qiáng)的單片機(jī)。

=3\*GB3

③

時鐘是高頻的噪聲源，對系統(tǒng)內(nèi)、外都能產(chǎn)生干擾，因此在滿足需要的前提下，選用頻率低的單片機(jī)是明智之舉。

2）電源設(shè)計

在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，危害最嚴(yán)重的干擾來自電源的噪聲。因此，應(yīng)選擇性能好、抗干擾能力強(qiáng)的供電系統(tǒng)，盡量減少從電源引入的干擾。使用交流穩(wěn)壓電源，可以保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止電源系統(tǒng)的過壓或欠壓，電源采用隔離變壓器或超隔離變壓器，以提高抗共模干擾的能力；根據(jù)干擾源的特性、頻率范圍、電壓和阻抗等參數(shù)及負(fù)載特性的要求，選擇合適的濾波器。

3）光電隔離技術(shù)

單片機(jī)與輸入、輸出通道進(jìn)行信息傳送時，信號可能會出現(xiàn)延時、衰減、畸變，另外還有通道干擾。因此，在輸入和輸出信號加光電耦合器隔離，將微機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)從電氣上隔離開來，可有效地使很大一部分干擾被阻擋。

4）屏蔽技術(shù)

對容易產(chǎn)生干擾和被干擾的部件及電路使用金屬盒進(jìn)行屏蔽，如開關(guān)電源、高靈敏度的弱信號放大電路等。屏蔽措施可以防止電子設(shè)備向外輻射干擾電磁波，也可以削弱電磁干擾源對電子設(shè)備的干擾。屏蔽本身要真正接地，從而使干擾電磁波短路接地。

5）印制電路板的工藝技術(shù)

在印制電路板設(shè)計中可采取以下抗干擾設(shè)計：盡量采用多層印制電路板，多層板可提供良好的接地網(wǎng)，防止產(chǎn)生地電位差和元器件的耦合。印制電路板要合理分區(qū)，模擬電路區(qū)、數(shù)字電路區(qū)、功率驅(qū)動區(qū)要盡量分開；若設(shè)計只由數(shù)字電路組成的印制電路板的接線系統(tǒng)，將接地線做成網(wǎng)絡(luò)提高抗干擾能力；可以元件面和焊接面應(yīng)采用相互垂直、斜交、或者彎曲走線，避免相互平行以減少寄生耦合；使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率的時鐘，時鐘發(fā)生器要盡量靠近該時鐘的器件，石英晶體振蕩器外殼要接地，時鐘線要盡量短并遠(yuǎn)離I/O線；閑置不用的IC管腳不要懸空以避免干擾引入；IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。如不用的運(yùn)算放大器正輸入端接地，負(fù)輸入端接輸出，不用的I/O口定義成輸出等。

軟件抗干擾技術(shù)

干擾信號產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，且有很大的隨機(jī)性，硬件抗干擾措施不可能完全解決抗干擾問題，還須結(jié)合軟件抗干擾措施構(gòu)成雙重抑制以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常見的軟件抗干擾方法主要有睡眠抗干擾、指令冗余、軟件陷阱、“看門狗”電路等。

1）睡眠抗干擾

CPU很多情況下處于等待狀態(tài)，這時，它雖沒有工作但卻清醒，很易受干擾。若讓CPU在無正常工作時休眠，必要時再由中斷系統(tǒng)來喚醒它，可以使其受到的干擾大大降低，同時功耗也大大降低。

2）指令冗余

以MCS-51為例，CPU取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù)。當(dāng)PC受干擾出現(xiàn)錯誤，程序便會脫離正常軌道，出現(xiàn)/亂飛0，如當(dāng)亂飛到某雙字節(jié)指令，若取指令時刻落在操作數(shù)上，誤將操作數(shù)當(dāng)作操作碼，程序?qū)⒊霈F(xiàn)混亂。這時若在一些雙字節(jié)、三字節(jié)指令后面插入兩個單字節(jié)指令NOP或在一些對程序的流向起決定作用的指令(如RET、LCALL、SJMP等)前面插入兩條NOP指令，即可使亂飛的PC指針指向程序運(yùn)行區(qū)，使程序執(zhí)行恢復(fù)正常。這種抗干擾方法稱為指令冗余。

3）軟件陷阱

當(dāng)跑飛的程序進(jìn)入非程序區(qū)，冗余指令便不起作用，這時可通過軟件陷阱攔截跑飛的程序，將其引向指定位置，再進(jìn)行出錯處理。軟件陷阱是用來將捕獲的跑飛程序強(qiáng)行引向?qū)ｉT處理錯誤的程序的入口地址。假設(shè)這段處理錯誤的程序入口地址為ERROR，則下面三條指令即組成一個軟件陷阱:NOPNOPLJMPERROR通常在EPROM非程序區(qū)填入這樣的軟件陷阱。由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故不會影響程序的執(zhí)行效率。

4）軟件“看門狗”

如果跑飛的程序落到一個臨時構(gòu)成的死循環(huán)中，冗余指令和軟件陷阱都將無能為力。這時，可用軟件程序來形成“看門狗”，使CPU復(fù)位。“看門狗”是根據(jù)程序在運(yùn)行指定時間間隔內(nèi)未進(jìn)行相應(yīng)的操作，即未按時復(fù)位“看門狗”定時器，來判斷程序運(yùn)行出錯的。通過不斷檢測程序循環(huán)運(yùn)行時間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運(yùn)行時間，則可以認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進(jìn)行出錯處理。

18.4數(shù)字電路的抗干擾設(shè)計

1.數(shù)字電路的抗干擾容限

對于模擬電路，在正常的輸入信號上即使混有很小的干擾噪聲，在其輸出也一定會看到噪聲的影響。然而，在數(shù)字電路中卻不然，在輸入信號中混有的噪聲電壓，只要它的幅度不超過這個電路的閾值電壓UT，那么在輸出中就不會看到這種噪聲的影響。

干擾能量容限NE表示如下

(18-2)

式中，UT為數(shù)字電路剛剛能翻轉(zhuǎn)的閾值電壓；Tp為電路翻轉(zhuǎn)的傳輸延遲時間；UT/Ro是形成干擾電壓的干擾電流；Ro為電路的輸出阻抗。

從式(18-2)可以看出，一個數(shù)字電路產(chǎn)生誤動作的能量容限既與加在電路上的干擾電壓UT有關(guān)，又與電路的速度和輸出阻抗有關(guān)。電路的速度越快（即TP愈小）、內(nèi)阻越大（即Ro越大），則電路的能量容限就越小，越容易受到干擾。

2.數(shù)字電路的負(fù)載能力

在數(shù)字集成電路芯片的使用中，應(yīng)注意到它們的驅(qū)動能力及不用輸入端的處理。如果某一數(shù)字電路接的負(fù)載太多，超出了它的負(fù)載能力，其工作必定不可靠。數(shù)字電路輸入及輸出引線盡可能短，平行走向的引線不要太長，以減小沖擊電流的影響。

在TTL電路中，遇到容性負(fù)載時要特別小心。因為容性負(fù)載會使下一級輸入波形邊沿變慢，而緩慢邊沿輸入會在數(shù)字電路狀態(tài)變換過程中產(chǎn)生幅度較大的振蕩，形成一個干擾源。遇到這種情況，可以利用施密特觸發(fā)器首先對波形整形，而后再送到下一級電路。也可以利用DTL電路來處理容性負(fù)載的輸出，它不會因為前沿慢而產(chǎn)生振蕩。

同樣，在遇到感性負(fù)載時，在電流關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，它會使電路元件擊穿。也會產(chǎn)生干擾，必須加以克服。通常可以在電感負(fù)載上并上保護(hù)二極管或電阻和電容。

對于CMOS電路來說，同樣存在TTL電路中的問題。若輸入信號在CMOS的轉(zhuǎn)換特性的過渡段里產(chǎn)生波動，則在其輸出端必然會出現(xiàn)振蕩，其原因是過渡段具有放大倍數(shù)很大的放大特性，如圖18-11所示。

圖18-11輸出的振蕩波形

根據(jù)圖18-11所示的波形可以想到，數(shù)字電路的輸出端出現(xiàn)振蕩的原因是因為輸入信號變化太慢，尤其是在過渡過程中由于電源或其他途徑混入電壓波動。當(dāng)輸入電壓的過渡時間大于lμs時，這種輸出振蕩就會產(chǎn)生。

克服這種干擾的方法就是減小輸入電壓的過渡時間。更有效的方法就是采用施密特電路。

在電路設(shè)計中可能會遇到這樣的情況：要獲得的信號必須經(jīng)過一段很惡劣的干擾環(huán)境才能到達(dá)信號的輸入端，而信號源在這段惡劣環(huán)境中會耦合上比信號本身還大的干擾，使系統(tǒng)無法正常工作。為了克服干擾的影響，可以在信號源處，先對信號進(jìn)行放大，使信號幅度足夠大；在目的地的輸入端再進(jìn)行衰減。例如，5V的信號首先放大到100V，傳輸后再衰減為5V。那么，即使干擾環(huán)境造成2V的干擾，經(jīng)衰減也微不足道了。

施密特觸發(fā)器的輸入和輸出具有滯后特性。利用這種特性，可以對輸入端的干擾產(chǎn)生較好的抑制。在設(shè)計電路時，遇到干擾比較大的地方，可以采用這種電路。

幅度大而寬度小的干擾，在電路中利用低通濾波器濾除。因為，這種干擾頻率比信號的頻率高，簡單的RC低通濾波器就能奏效。

3.數(shù)字電路輸入端的措施

在數(shù)字電路的輸入端上采取必要的措施，以利于消除干擾的影響。所采取的措施主要有：

（1）若信號傳輸線上有比較大的干擾，則可以在傳輸前將信號加以放大，在輸入端再進(jìn)行衰減，從而消除干擾的影響。

（2）對于一些窄脈沖干擾，由于它的頻帶比數(shù)字電路的輸入信號高得多。因此，可以在輸入端加上積分電路（低通濾波器），從而消除干擾的影響。

（3）在輸入按鍵的狀態(tài)時，必須注意消除按鍵抖動的影響。在工程應(yīng)用中可采用兩種方法去除按鍵抖動的影響：

=1\*GB3

①

利用軟件延時的方法，即當(dāng)發(fā)現(xiàn)有鍵按下后，再延時幾十ms，而后再去讀取按鍵的狀態(tài)。

=2\*GB3

②

采用硬件消抖動電路，有的廠家為用戶生產(chǎn)硬件消抖動的集成電路芯片，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，可以選用。例如，MOTOROLA公司的M14490就是六輸入的硬件消抖動的集成電路芯片。也可以采用如圖18-12所示的硬件消抖措施。

(b)

圖18-12按鍵消抖動電路

（4）電源濾波

干擾信號經(jīng)常會通過電源引入。因此，在進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計時，在電路板的電源輸入端并上多個電容，同時在芯片的電源到地端并上電容，以便消除干擾的影響。

（5）不用輸入端的處理

門電路不用的輸入端不能懸空，懸空會造成很大的干擾，以至于使電路不能正常工作。

=1\*GB3

①

與門、與非門空著不用的輸入端，若是LS門可以直接接到+5V電源；若是其他類型門電路可經(jīng)幾kΩ的電阻接到+5V電源上；也可與其他有用輸入端并接在一起；還可以將某反相器輸入端接地，將空著不用的輸入端接到該反相器的輸出端上。

=2\*GB3

②

或門、或非門空著不用的輸入端，可以直接接到地上；也可與其他有用輸入端并接在一起；還可以將某反相器輸入端接高電平，將空著不用的輸入端接到該反相器的輸出端上。

=3\*GB3

③

其他芯片的輸入控制端也不可懸空，應(yīng)根據(jù)芯片工作時的邏輯關(guān)系接上某一固定電平，以便保證芯片正常工作。

4．減小負(fù)載的影響

（1）容性負(fù)載

如果數(shù)字電路接有容性負(fù)載，則在接通負(fù)載時會產(chǎn)生很大的沖擊電流。電路導(dǎo)通時的等效電路及電路中的電流如圖18-13所示。當(dāng)某一時刻數(shù)字電路導(dǎo)通時，會有較大的瞬時電流流過負(fù)載。這時刻的瞬時電流為Ucc/R。其中R為開關(guān)電路的內(nèi)阻。瞬時的大的尖峰電流會對其他電路構(gòu)成干擾。

為了減少尖峰電流的影響，可用加大電阻R的方法，減小尖峰電流。例如在負(fù)載邊

串聯(lián)一定的電阻。另外，也可以在負(fù)載邊串聯(lián)上一個小電感，用此電感來減小尖峰脈沖。

圖18-13容性負(fù)載電路的等效電路

（2）感性負(fù)載的影響

在檢測系統(tǒng)中經(jīng)常會遇到感性負(fù)載。例如在開關(guān)電源實例中，電子開關(guān)的負(fù)載就是變壓器的繞組。感性負(fù)載在開關(guān)電路斷開時，會在電感上感應(yīng)出很高的反峰電壓，其示意圖如圖18-14所示。

（a）（b）

圖18-14感性負(fù)載及其開關(guān)特性

當(dāng)數(shù)字電路的開關(guān)K由閉合到斷開時，電感兩端形成的反峰電壓為

（18-3）

由式(18-3)可以看出，當(dāng)開關(guān)閉合導(dǎo)通時，流過電感L的電流愈大，電感L的電感量愈大，在開關(guān)斷開時所產(chǎn)生的反峰電壓會愈高。反峰電壓的峰值可達(dá)到供電電源電壓的10～200倍。為了抑制在電感負(fù)載兩端所產(chǎn)生的瞬間反峰電壓，可在電感兩端并聯(lián)反峰電壓抑制電路。常用的反峰電壓抑制電路如圖18-15所示。

（a）（b）（c）（d）（e）（f）

圖18-15常用的反峰電壓抑制電路

18.5模擬電路的抗干擾設(shè)計

在檢測系統(tǒng)中，一般采用模擬集成電路（或稱線性集成電路）來放大微弱信號或產(chǎn)生某種波形信號，或向負(fù)載提供一定的功率等。模擬器件易受干擾的影響，又會產(chǎn)生干擾影響其他器件。

1．晶體管放大器的抗干擾措施

雙極型晶體三極管放大器或場效應(yīng)管放大器在低頻放大或高頻放大中經(jīng)常被使用。它的優(yōu)點是壽命長，工作頻率高等，它的缺點是即使輸入為零，也仍有一定輸出電壓，這種電壓也是一種噪聲。它主要由下列噪聲因素所構(gòu)成：外界電磁場的噪聲；晶體管開關(guān)元件本身的噪聲；開關(guān)元件因不是理想開關(guān)而造成的輸出端殘余電壓；由于晶體管極間電容造成尖峰電壓等。其中，主要的因素是晶體管的殘余電壓。

（1）抑制晶體管殘余電壓的措施

首先，選擇適當(dāng)?shù)木w管類型。 晶體管的反向電流及飽和壓降越小，它的殘余電壓也越小，鍺管的飽和壓降比硅管小，但它的反向電流較大且隨溫度而變化，所以他將引起殘余電壓的漂移。硅管的反向電流較小，飽和壓降大。在使用溫度高、負(fù)載電阻及信號源內(nèi)阻較大時還是用硅管較為有利。

（2）抑制場效應(yīng)管的尖峰電壓

尖峰電壓主要是由極間電容引起的，所以要抑制尖峰電壓，應(yīng)減小極間分布電容，可以選用極間電容小的器件，還應(yīng)該注意各極的引線分布電容。

抑制尖峰電壓還可以采用補(bǔ)償?shù)姆椒?，在尖峰電壓上疊加一極性相反的尖峰電壓，使兩者相互抵消。但是這種方法因種種原因不能完全抵消尖峰電壓，而只能在一定程度上閉合，將放大器輸入端鉗制在定的電位，如鉗制在零電位。這就限制了尖峰電壓通過放大器，抑制了尖峰電壓對放大器的影響。

2．運(yùn)算放大器的抗干擾設(shè)計

在檢測系統(tǒng)中，運(yùn)算放大器多用于微小信號的放大或微小電流向電壓的變換。這樣的運(yùn)算放大器輸入信號小、輸入阻抗高，極易受到干擾的影響。

干擾及噪聲

在運(yùn)算放大器用于放大小信號時，這些信號通常是mV級甚至是μV級的信號。除了在本章開始時所提到的各種干擾會對運(yùn)算放大器構(gòu)成影響外，還必須注意運(yùn)算放大器自身及其所采用的元器件的噪聲。盡管噪聲也是一種干擾，但它們是由元器件自身產(chǎn)生的。主要有閃爍噪聲、散粒噪聲、熱噪聲和爆裂噪聲等。

另外，運(yùn)算放大器的自激振蕩、靜電耦合、電磁耦合和公共阻抗耦合也會對產(chǎn)生對運(yùn)算放大器的影響

（2）運(yùn)算放大器的自激振蕩的抑制

在實際應(yīng)用中，為提高運(yùn)算放大器的運(yùn)算精度，有時必須提高其開環(huán)放大倍數(shù)。同時，電路中總有一些附加的電抗元件或分布寄生參數(shù)，這些參數(shù)會使信號產(chǎn)生相移。當(dāng)滿足一定條件時，放大器出現(xiàn)正反饋，從而產(chǎn)生自激振蕩。自激振蕩必須被消除，否則運(yùn)算放大器將無法正常工作。

消除自激振蕩的方法是在電路中加校正網(wǎng)絡(luò)。其目的是使電路的幅頻特性和相頻特性發(fā)生變化，破壞自激振蕩的條件。圖18-17所示的是消除運(yùn)算放大器自激振蕩的方法。

（a）

（b）

圖18-16消除運(yùn)算放大器自激振蕩的方法

在圖18-16(a)中，運(yùn)算放大器的輸出端接有容性負(fù)載。容性負(fù)載使相移增加，容易引起自激振蕩。在電路中加上由Rf和Cf構(gòu)成的校正元件，它們的超前與容性負(fù)載的滯后相抵消，可有效地避免自激振蕩的發(fā)生。在圖18-17(b)中，由于運(yùn)算放大器的輸入傳輸線比較長，其線間及傳輸線對地的電容比較大（如圖中C3、C2、Cl所示），容易造成電路工作不穩(wěn)定，產(chǎn)生自激振蕩。可以在輸入／輸出端并聯(lián)Cf，也可以在輸入端并接RC校正網(wǎng)絡(luò)。

（1）減少運(yùn)算放大器的共模干擾

共模干擾電壓往往是由于信號源一方與接受回路一方之間產(chǎn)生的接地電位差所造成的，其間距越大，共模干擾電壓也越大。如圖18-17所示。這種共模干擾電壓的頻率可從市電頻率50Hz到數(shù)百MHz，要在如此廣的頻率范圍內(nèi)全部消除這種共模噪聲的影響是及其困難的，但在某個頻帶范圍內(nèi)較有效的抑制也是可以辦到的。

單個運(yùn)算放大器的共模抑制能力很有限。在那些要求高的地方，為了能提高抗共模干擾的能力，可以用三個運(yùn)算放大器，如圖18-18所示。

圖18-17運(yùn)算放大器共模干擾示意圖

圖18-18三個運(yùn)算放大器抗共模干擾

利用圖18-18所示的三個運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大部件可以獲得更高的抗共模干擾的能力。而且，利用調(diào)節(jié)電位器R3可以改變整個放大電路的增益。這種由三個運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路經(jīng)常用在高精度的測量儀器中的小信號放大。

當(dāng)信號源對地有較大的絕緣電阻時，也就是RG比較大時，共模干擾UCM的影響就比較小。而且，如RG越大，共模干擾UCM的影響就越小。

因此，在實際應(yīng)用中盡量使信號不接地，使其對地電阻大一些，這對減小共模干擾是十分有利的。

另外，采用隔離措施抗共模干擾也是一種十分有效的方法。

=1\*GB3

①

采用變壓器隔離。變壓器隔離的思想就是使變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)不共地。一次側(cè)的電信號先轉(zhuǎn)變成磁場，經(jīng)磁場傳送（耦合）到二次側(cè)再轉(zhuǎn)變成電信號。磁場的傳送（耦合）不需要共地，故可以將一次側(cè)、二次側(cè)的地進(jìn)行隔離。

=2\*GB3

②

采用光電耦合器隔離。其思路是將電信號轉(zhuǎn)變成光信號，光信號傳送到接收邊再轉(zhuǎn)換成電信號。由于光的傳送不需要共地，故可以將光電耦合器兩邊的地加以隔離。

=3\*GB3

③

繼電器隔離。利用繼電器將控制邊與大功率外設(shè)邊的地隔離開。

（4）電源電壓的影響

用于小信號放大的模擬電路，除了要注意到干擾及噪聲的影響外，還要注意電源電壓對放大器的影響。選用電源的穩(wěn)定性要好，同時要選用低波紋、低噪聲的電源。

電源電壓的變動可以折算為放大器輸入端的信號變化。例如，如果運(yùn)算放大器的電源電壓抑制比為120μV/V，則電源電壓有1V的變化，折算到運(yùn)算放大器的輸入端就有120μV變化。顯然，這對于放大微弱信號（信號為mV級甚至μV級）放大器來說，其影響可能是不能接受的。

電源中會包含高頻干擾。特別是前面提到的開關(guān)電源，如果濾波不徹底，就會混有高頻干擾。同時，如果電源靠近高頻輻射源，也會在電源中造成高頻干擾。而運(yùn)算放大器對電源中高頻干擾抑制能力很低。當(dāng)干擾頻率達(dá)到MHz時，運(yùn)算放大器對它們幾乎無任何抑制能力。因此，如果電源在這樣的頻率上有l(wèi)mV的干擾，則該干擾幾乎全部加到放大器的輸入端上。可以想像，對那些微小信號放大器來說，這是一種多么嚴(yán)重的干擾。

為了克服電源電壓對微小信號放大器的影響，對微小信號放大器的電源需專門采取措施，即采用高穩(wěn)定的電源電路，減小電源內(nèi)阻，盡量減小供電線路的長度，以及加粗加寬供電線，采用更多的電源濾波措施。

18.6信號傳輸回路的抗干擾

在信號傳輸過程中，信號Us、串模干擾信號UN、共模干擾信號UCM的關(guān)系如圖18-19所示。

信號傳輸線通常是比較長的，短則數(shù)米，長則幾十米甚至超過百米。信號在長距離的傳輸中一定會混入各種串模干擾。而由于傳輸線很長，傳輸線兩端的地肯定有電位差，那就是共模干擾。在某種特定的場合中共模干擾甚至可以達(dá)到2000V。

圖18-19信號與共、串模干擾的關(guān)系

1.減少串（差）模干擾

(1)串模干擾的產(chǎn)生

產(chǎn)生干擾的干擾源有多種，這些干擾源所發(fā)出的干擾可以經(jīng)過不同的途徑進(jìn)入信號的傳輸線中形成串模干擾（也有人稱之為差模干擾）。了解了產(chǎn)生的原因，就可以有的放矢地采取措施來克服它的影響。

=1\*GB3

①

信號源本身產(chǎn)生的干擾

信號源本身產(chǎn)生的干擾與信號源的有用信號疊加在一起，形成串模干擾。如圖18-20中a點所示。

=2\*GB3

②

與信號源配套的元器件產(chǎn)生的干擾

信號源工作時與之配套工作的電子元器件也會產(chǎn)生噪聲干擾。這些干擾與信號源的有用信號疊加在一起，形成串模干擾。如圖18-20中b點所示。

圖18-20串模干擾示意圖

=3\*GB3

③

傳輸線的接插頭產(chǎn)生的干擾

信號源產(chǎn)生的信號需用傳輸線傳送到遠(yuǎn)距離的主機(jī)端。通常信號源與傳輸線都會利用插頭插座相互連接。插頭插座的接觸電阻或接觸電勢是一種典型的串模干擾源，如圖18-20中c點所示。

=4\*GB3

④

輻射性串模干擾

傳輸信號的傳輸線無疑于無線電接收天線，傳輸線附近的高頻電磁場一定會在傳輸線上產(chǎn)生串模干擾。這種電磁干擾的強(qiáng)度與電磁輻射的強(qiáng)度有關(guān)，也與傳輸線的長度及兩傳輸線間的距離有關(guān)，如圖18-20中d點所示。

(2)抑制串模干擾

=1\*GB3

①

選擇信號源應(yīng)選用噪聲干擾小的信號源、元器件，噪聲小的不易氧化的插頭、插座，使串模干擾減到最小。

=2\*GB3

②

在接收端加上濾波器一般地說，無論是信號源本身產(chǎn)生的串模干擾，還是由于高頻電磁輻射所產(chǎn)生的串模干擾，其頻率都比較高，而有用信號的頻率都很低?；谶@種情況，可以在信號傳輸線的終端（即接收湍）加一低通濾波器，將高頻的串模干擾濾除，只留下低頻有用信號。

=3\*GB3

③

采用雙絞線傳輸高頻輻射性串模干擾與傳輸線所圍成的面積有關(guān)。若將兩傳輸線緊緊地絞在一起，可將所圍成的面積減到最小。同時，由于絞線的方向每一循環(huán)變化一次（如圖18-21所示），則每一循環(huán)中所感應(yīng)的干擾信號的極性剛好相反，故可以相互抵消。實際上完全抵消是不可能做到的，但這種措施會大大地減小輻射性串模干擾的影響。

圖18-21采用雙絞線抵消輻射性串模干擾

=4\*GB3

④

采用屏蔽電纜當(dāng)串模干擾是在信號傳輸線上耦合產(chǎn)生的時候，采用屏蔽電纜傳輸信號可以有效地屏蔽高頻輻射干擾的影響。在使用中，將傳輸線外面的屏蔽層有效地接地，從而使其內(nèi)部的傳輸線不受輻射的干擾。具體連接可采用如圖18-22所示三種方法中的任一種。

在這三種方法中，所不同的僅僅是接地的方式不同。其中圖(a)和圖(b)均采用單端接地；而圖(c)是因為信號源和放大器必須接地，在這種情況下只好將屏蔽電纜的屏蔽層連接到兩邊的地上。

另外需注意的是，屏蔽雙絞線適合于傳送直流及變化緩慢的信號。由于傳輸線與屏蔽層之間的分布電容比較大，不適于傳送高頻信號。而且，這些分布電容會降低整個傳輸電路的共模抑制比。

圖18-22屏蔽電纜的三種接法

=5\*GB3

⑤

采用同軸電纜雙絞線及屏蔽雙絞線通常用于傳送直流及頻率不太高的信號，例如1MHz以下。而對于幾十MHz以上的信號，多采用同軸電纜進(jìn)行傳送，其形式如圖18-23所示。

圖18-23利用同軸電纜傳輸信號

需要說明的是，在圖18-23所示電路中采用放大器端一端接地。也可以在信號源端一端接地，還可以兩端均接地。

=6\*GB3

⑥

先放大后傳送在傳送微小信號前先進(jìn)行放大，將信號放大到足夠大再進(jìn)行傳送，這樣可以有效地減小從傳輸線上耦合進(jìn)入的串模干擾的影響。但是，這種思路具體實現(xiàn)起來會有困難。原因在于信號源經(jīng)常放置在設(shè)備的現(xiàn)場，那里未必有現(xiàn)成的為前端放大器所需要的電源。而且，設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境一般都比較惡劣，這必定有大量的干擾影響到前端放大器。要克服這些不利因素就要做很多工作。在系統(tǒng)設(shè)計中，是否值得這樣做就需要仔細(xì)分析，權(quán)衡利弊。

=7\*GB3

⑦

對運(yùn)算放大器進(jìn)行屏蔽接地與屏蔽是抑制輻射干擾最有效的方法。當(dāng)微小信號經(jīng)傳輸線到達(dá)運(yùn)算放大器時，除了前面所提到的措施外，如果運(yùn)算放大器處于高頻輻射比較嚴(yán)重的場合，則可以將運(yùn)算放大器整體屏蔽起來。同時，對運(yùn)算放大器輸入、輸出及電源端加上濾波電容，如圖18-24所示。

圖18-24運(yùn)算放大器的電磁屏蔽

在圖18-25中，將整個運(yùn)算放大器置于屏蔽盒內(nèi)，并將屏蔽盒牢固接地，屏蔽掉電磁場的輻射。圖中電容器C1～c4是用于對運(yùn)算放大器的輸入信號進(jìn)行濾波，而C5～C8是用于對屏蔽盒內(nèi)放大器正、負(fù)電源進(jìn)行濾波。

以上所描述的是對串模干擾的抑制方法。在那些干擾不太嚴(yán)重的地方，這些方法可以單獨使用。在那些干擾比較嚴(yán)重的地方，可以將幾種措施結(jié)合在一起使用，以便達(dá)到更好地抑制串模干擾的目的。

2.減少共模干擾

(1)切斷共模干擾的環(huán)路

對于微弱信號的放大電路，信號源與放大器之間存在著地電阻。當(dāng)某種干擾電流流過此電阻時，就會形成共模干擾電壓。放大器、信號源及其等效電阻如圖18-26(a)所示。在地電阻如上所產(chǎn)生的干擾電壓，即圖18-25(a)中的Uc。當(dāng)放大器和信號源同時接地時，其等效電路如圖18-25(b)所示。

在圖18-25(b)所示電路中，假設(shè)信號源內(nèi)阻Rs=500Ω，引線電阻Rc=lΩ，地電阻RG=1Q，地電阻上的干擾電壓Uo=10mV，放大器的輸入電阻RL=10KΩ?？梢岳脠D18-25(b)，計算出地電阻上的干擾加到放大器輸入端上的干擾電壓約為9mV，即地電阻上的干擾絕大部分都加到了放大器的輸入端上。

(a)放大器與信號源接地

(b)兩端接地等效電路

(c)單端接地等效電路

圖18-25放大器及其接地

如果采取單端接地，可以切斷共模干擾的通路。例如，信號源不接地，只將放大器接地，這種接地方式的等效電路如圖18-25(c)所示。相當(dāng)于在電路中串了一個電阻Rz，它是信號源到地的絕緣電阻。假定該絕緣電阻為1MΩ，這時利用圖18-25(c)可計算出地電阻上的干擾加到放大器輸入端上的干擾電壓約為0.00001mV?？梢?，采取單端接地的方式，即切斷共模干擾的環(huán)路可以大大降低地電阻所產(chǎn)生的共模干擾的影響。

在上述方法中，均假定共模干擾是直流或頻率很低的電壓。如果共模干擾為高頻電壓，則不僅要考慮絕緣電阻，還需要考慮信號源到地的分布電容。這種情況下，共模干擾的影響會大一些。

采用隔離措施

在介紹如何抑制運(yùn)算放大器的共模干擾時，已經(jīng)說明可以采用簡單的單端隔離，或在發(fā)送端或在接收端隔離，這樣做就能抑制共模干擾的影響。采用的隔離器件可以是光電耦合隔離器件、變壓器隔離器件或?qū)Ｓ玫募呻娐沸酒綦x器件，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。在進(jìn)行信號遠(yuǎn)距離傳輸時，所采用的光電隔離方法如圖18-26所示。

圖18-26光電耦合法

在圖18-27所示電路中，由于通信距離比較遠(yuǎn)，兩地間的電位差及傳輸線對地的高頻輻射均會產(chǎn)生較強(qiáng)的共模干擾。為了實現(xiàn)計算機(jī)與計算機(jī)之間的遠(yuǎn)距離串行通信，必須采取措施抑制這種干擾，否則必將會使通信出現(xiàn)錯誤。同時采用光電隔離與20mA電流環(huán)來傳輸信號，光電隔離器件將通信雙方的地隔離，公共地上的干擾將不再轉(zhuǎn)化為串模干擾產(chǎn)生影響。

同時，采用電流環(huán)傳送信號，將信號由電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流進(jìn)行傳送，可以大大減小串模電壓干擾的影響。因為傳送的電流基本上只與信號和所采用的電源電壓有關(guān)，而與干擾無關(guān)。顯然，一般的干擾信號可以在高阻上感應(yīng)出高的電壓，但電流會非常小。也就是說干擾信號很難提供使傳輸產(chǎn)生錯誤的電流。

在圖18-27所示電路中，傳送的是開關(guān)量數(shù)字信號。如果傳送模擬信號，可采用前面曾經(jīng)提到的模擬光電耦合器件。當(dāng)然，也可以采用變壓器隔離方式，但遇到變化緩慢或直流信號時需進(jìn)一步采取措施才行。

在一些簡單的情況下，可以采用單端隔離措施，例如檢測系統(tǒng)中的狀態(tài)顯示燈，繼電器的控制輸出和狀態(tài)輸入，控制臺面板上的開關(guān)、按鍵等。但在一些復(fù)雜的情況下，在傳送距離比較遠(yuǎn)的情況下，也可以采用雙端隔離的措施，即在信號的發(fā)送端和信號的接收端均采取隔離的方式。例如，從國外引進(jìn)的五萬噸洗滌劑生產(chǎn)線，為了實現(xiàn)多機(jī)系統(tǒng)間的相互通信，采取了在信號發(fā)送端與接收端都采用隔離的措施，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信息傳送。

將輸入電路浮地

在將信號源的小信號傳送到檢測系統(tǒng)的輸入電路時，可將輸入電路浮地，即將該電路“浮”在空中，不接地，如圖18-28所示?？梢钥闯?，這相當(dāng)于前面提到的信號源和放大器單端接地。放大器到地的電阻Rz可以是很大的。在這種情況下，共模干擾UCM的影響可以降至很小。

圖18-27輸入電路浮地

同時，黑線框表示的是一金屬屏蔽盒，它將放大器屏蔽起來，可以使放大器免受電磁輻射干擾的影響。此屏蔽盒與機(jī)柜連起來，而機(jī)柜要接到大地上。

在傳輸線上加上磁珠

當(dāng)傳輸信號線上有高頻的共模干擾時，可在兩傳輸線上套上磁珠。磁珠對有用信號不產(chǎn)生任何影響。磁珠對共模信號來說，就相當(dāng)于在兩條傳輸線上分別串進(jìn)去一個電感，對高頻共模干擾有很好的抑制效果。顯然，也可以將傳輸線繞在磁環(huán)上，其抑制共模干擾的效果會更好。

(5)其他抑制共模干擾的方法

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①

采用差分方式的傳輸和接收采用差分方式傳送可以有效地抑制共模干擾，這種方式有現(xiàn)成的集成電路可以選用，實現(xiàn)起來不困難。

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②

用強(qiáng)信號傳輸在發(fā)送端先將信號進(jìn)行放大，提高信噪比之后再進(jìn)行傳送。

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③

采用光纖傳輸光纖可以克服電氣通信傳輸介質(zhì)的許多缺點，使抗干擾能力有了突破性的進(jìn)展。光纖的傳輸容量大，速率高、抗干擾性能好，是理想的傳送介質(zhì)，只是造價要高一些。

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④

在信號傳送過程中保持雙線的平衡只有傳輸雙線平衡時，才能將共模電壓減到最小。否則，共模干擾會轉(zhuǎn)化成串模干擾而造成影響。

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⑤

限制傳輸線的長度一般來說，傳輸線長度越長，越容易受到干擾。這還與傳輸線的種類、結(jié)構(gòu)、電路等有關(guān)。但無論什么樣的情況，都有各自的最大長度的限制，在使用中應(yīng)予以注意。

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⑥

降低地電阻由于地電阻的存在，當(dāng)有電流流過時就會在地電阻上產(chǎn)生電位差，所產(chǎn)生的電位差就成為共模干擾。地電阻總是存在的，但可以采取措施降低地電阻。當(dāng)?shù)仉娮韬苄r，其上所產(chǎn)生的干擾也就會相應(yīng)地減小。

以上描述了多種共模干擾的抑制方法，在那些共模干擾不太嚴(yán)重的地方，可以單獨使用。在那些共模干擾比較嚴(yán)重的地方，可以將幾種措施結(jié)合到一起使用，以便達(dá)到更好地抑制共模干擾的目的。

18.7接地

接地是檢測系統(tǒng)抗干擾的重要手段，是系統(tǒng)設(shè)計者提高檢測系統(tǒng)可靠性所必須具備的技術(shù)素質(zhì)之一?？梢赃@樣認(rèn)為：接地與屏蔽是抗干擾的永恒主題，也是每個系統(tǒng)設(shè)計者都會遇到的問題。它看起來似乎簡單，但如果處理不好，會使系統(tǒng)的干擾大大增加，甚至使系統(tǒng)無法工作。

1.接地的概念

地的含義

在電氣設(shè)備中，其中也包括本書所涉及的檢測系統(tǒng)，地的含義包括兩種：

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①

代表一個系統(tǒng)或一個電路的等電位參考點，為系統(tǒng)或電路的各部分提供一個穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位。這種地又稱為信號地。顯然，沒有信號地，系統(tǒng)及電路是無法工作的。

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②

是指地球的大地。系統(tǒng)或電路的某些部分需要與該地連接以提供安全及電磁屏蔽等。

接地的分類

接地按其作用可分為信號接地和安全接地兩大類。其中信號接地又分為浮動接地、單點接地、多點接地與混合接地；安全接地分為設(shè)備安全接地、接零保護(hù)接地和防雷接地。

信號接地為設(shè)備、系統(tǒng)內(nèi)部各種電路的信號電壓提供一個零電位的公共參考點或面，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

安全接地就是采用低阻抗的導(dǎo)體將用電設(shè)備的外殼連接到大地上，以保證人身及財產(chǎn)的安全，同時也可以防雷擊。

2.信號接地的方式

信號地的接地方式有多種，下面分別予以說明。

浮地

對電子設(shè)備而言，浮地是指設(shè)備地線系統(tǒng)在電氣上與大地（隔離），這樣可以減小由入地電流引起的電磁干擾。浮地方式的最大優(yōu)點就是抗干擾性能好，主要適用于在雜散分布電容耦合通路可以忽略不計，和頻率較低的場合。

浮地的主要缺點是設(shè)備不與公共地直接連接，容易產(chǎn)生靜電積累，當(dāng)電荷積累到一定程度時，在設(shè)備與公共地之間的電位差會引起強(qiáng)烈的靜電放電，成為破壞性很強(qiáng)的干擾源。作為折中，可以采用浮地的設(shè)備與公共地之間接進(jìn)一個阻值很大的電阻，以便泄放所積累的電荷。如圖18-28所示。

圖18-28輸入電路浮地

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①

單點接地

單點接地是指整個電路系統(tǒng)中，只有一個點被定義為接地參考點，其他各個需接地的點通過公共地線串聯(lián)到該點，也可由個點分別引出獨立地線直接接于該點。由于沒有地回路的存在，因而也就沒有干擾問題。

單點接地的最大缺點是，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率很高，以至波長小到與系統(tǒng)接地線長度可以比擬時，就不能再用單點接地了。此時，這根接地線就好像是一根天線，通過它向外輻射電磁波，影響周圍設(shè)備和電路的工作。在這種情況下，應(yīng)用多點接地。

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②

多點接地

多點接地是指電子設(shè)備或系統(tǒng)中的各個接地點都直接接到距他最近的接地平面上，以使接地引線的長度最短。這種接地結(jié)構(gòu)能夠提供比較低的接地阻抗。適合在高頻場合中使用。

多點接地的最大缺點是接地點多，因任何接地點上的腐蝕、松動都會使接地系統(tǒng)出現(xiàn)高阻抗，從而是接地效果變差，而且對維護(hù)也提出了更高的要求。

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③

混合接地

因單點接地和多點接地的缺點促使人們想到了混合接地的方式，即個別要求高頻接地的點選擇多點接地，其余個點都采用單點接地。

3.安全接地的方式

(1)設(shè)備安全地

為了人、機(jī)安全，任何高壓電氣設(shè)備、電子設(shè)備的機(jī)殼、底座均需要安全接地，以避免高電壓直接接觸設(shè)備外殼，或者避免由于設(shè)備內(nèi)部絕緣損壞造成漏電打火使機(jī)殼帶電，傷及人身安全。

接零保護(hù)接地

用電設(shè)備通常采用220V或380V電源提供電力。設(shè)備的金屬外殼除了正常接地外，還應(yīng)與電網(wǎng)零線相連接，稱之為接零保護(hù)。

防雷接地

防雷接地是將建筑物等設(shè)施和用電設(shè)備的外殼與大地連接，將零電電流引入大地，從而保護(hù)設(shè)施、設(shè)備和人身的安全，使之避免雷擊，同時消除雷擊電流竄入信號接地系統(tǒng)，以避免影響用電設(shè)備的正常工作。

4．印制電路板的地線設(shè)計

檢測系統(tǒng)可由許多印制電路板組成。實踐證明，印制電路板的制作與設(shè)計和系統(tǒng)的抗干擾性能有著很大的關(guān)系。這個課題包括的內(nèi)容十分廣泛且復(fù)雜。在計算機(jī)電路板設(shè)計時，應(yīng)遵循數(shù)字電路電路板設(shè)計的原則。各芯片的電源到地之間加濾波電容；芯片不用的輸入端應(yīng)小心處理，不要懸空；采用加阻尼的辦法減少信號的輻射，例如在有脈沖電流的引線上串上一個小磁珠。在電路板設(shè)計時，引線盡量短。線間的串?dāng)_問題也必須加以消除。下面僅就電路板的地線設(shè)計提出一些原則，在設(shè)計中應(yīng)予以注意。

(1)引線阻抗印制電路板的印制線具有一定的電阻。當(dāng)信號是脈沖信號或頻率較高時，其電抗也將產(chǎn)生影響。在設(shè)計印制電路板時，要盡可能地加粗并縮短引線，以便減小引線阻抗的影響。尤其是對流過大電流的引線，如電源線、地線等要更加注意，要盡可能地減少其引線阻抗。對地線來說，應(yīng)使它允許通過3倍以上的該電路板上的電流。如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于2mm。

(2)仔細(xì)設(shè)計地線地線上的公共電阻（抗）能產(chǎn)生干擾。在設(shè)計印制電路板時，要特別注意地線的安排。

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①

在設(shè)計多層印制電路板時，可以把其中一層或幾層整個作為地線。這種大面積接地可以使地電阻減到最小。同時，利用平面接地，還可以起到層間的屏蔽作用。因此，在多層電路板設(shè)計中這種方法經(jīng)常被采用。

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②

對于單面或雙面電路板可將地線設(shè)計成網(wǎng)格狀，這樣做有利于降低接地電位差。

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③

將電路板上的數(shù)字地與模擬地分開。如果電路板上既有數(shù)字電路又有模擬電路，應(yīng)使它們盡量分開。低頻電路應(yīng)盡可能做到單點接地，如果布線上有困難，可部分串聯(lián)后再并聯(lián)到一點上接地。高頻電路宜采用多點大面積接地。同時，將數(shù)字地和模擬地單點接到一起。

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④

在數(shù)字電路的電路板上，可將接地線構(gòu)成閉環(huán)回路，這樣做可提高電路板的抗干擾能力。

18.8濾波、去耦及屏蔽

1.濾波

濾波器是一種對特定頻率的信號具有選擇性的網(wǎng)絡(luò)。它對某一頻率范圍內(nèi)的信號給以很小的衰減，使這部分信號能夠順利通過，而對其它頻率的信號或干擾給以很大的衰減。濾波器通常由電容、電阻、電感或有源器件組成，作為電路中的選擇性傳輸網(wǎng)絡(luò)來完成選擇性衰減輸入信號中不需要的頻率分量。

在設(shè)計濾波器時應(yīng)注意一下幾點：

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①

應(yīng)明確工作頻率和所要抑制的干擾頻率，如兩者非常接近，則需要應(yīng)用頻率特性非常陡峭的濾波器，才能把兩者分離開來。

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②

由于電磁干擾的形式和大小的多樣性，濾波器的耐壓必須足夠高，以保證在高壓情況下可靠的工作。

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③

濾波器連續(xù)通過最大電流時，其溫升要低，以保證以該額定電流連續(xù)工作時，不破壞濾波器中器件的工作性能。

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④

為使工作時的濾波器頻率特性與設(shè)計值吻合，要求與他連接的信號源阻抗和負(fù)載阻抗的數(shù)值等于設(shè)計時的規(guī)定值。

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⑤

濾波器必須具有屏蔽結(jié)構(gòu)，屏蔽箱蓋和本體要有良好的電接觸，電容引線應(yīng)盡量短。

濾波器的分類

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①

按照濾波原理，可分為反射式濾波器和吸收式濾波器。

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②

按照工作條件，可分為無源濾波器和有源濾波器。

=3\*GB3

③

按照頻率特性，可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。

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④

按照使用場合，可分為電源濾波器、信號濾波器、控制器濾波器、防電磁脈沖濾波器、防電磁信息泄漏濾波器、印制電路板專用微型濾波器等。

反射式濾波器

反射式濾波器通常友電抗元件如電感器和電容器組合構(gòu)成，使在濾波器的通帶內(nèi)提供低的串聯(lián)阻抗和高的并聯(lián)阻抗，而在濾波器的阻帶內(nèi)提供大的串聯(lián)阻抗和小的并聯(lián)阻抗。反射濾波器是通過把不需要的頻率成分的能量返回信號源而達(dá)到抑制的目的。器種類有帶阻濾波器、帶通濾波器、高通濾波器和低通濾波器。

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①

帶阻濾波器是用做串聯(lián)在負(fù)載和干擾源之間的抑制器件。

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②

帶通濾波器是并接于干擾線和地線之間，以消除電磁干擾。

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③

低通濾波器常用于直流或者交流電源線路，對高于市電的頻率進(jìn)行衰減；用于放大器電路和發(fā)射機(jī)輸出電路，讓基波信號通過，而諧波和其他亂真信號受到衰減；用于在數(shù)字設(shè)備中消除脈沖信號的高次諧波等。

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④

高通濾波器用于從信號通道上濾除交流電流頻率或抑制特定的低頻外界信號。

吸收式濾波器

吸收式濾波器是將干擾頻率成分的能量損耗在濾波器內(nèi)（使之轉(zhuǎn)化成內(nèi)能），而不是反射回去，因此這種濾波器又稱為有耗濾波器。凡是纏繞在磁芯上的扼流圈、鐵氧體磁環(huán)、內(nèi)外表面鍍上導(dǎo)體的鐵氧體管所構(gòu)成的傳輸線都可以作為吸收式濾波器。

2.去耦

無論是模擬信號還是數(shù)字信號，尤其是數(shù)字信號，在其工作過程中由于電流的突變，會在供電電源的電路上造成波動而使電源產(chǎn)生脈沖：這種脈沖通過電源將會對其他電路造成干擾。

減小電流突變影響的辦法通常是在數(shù)字電路中減小電源內(nèi)阻，減小電源引線電阻并在每塊集成電路的電源到地之間并聯(lián)電容器。一般并聯(lián)電容的數(shù)值在0.0l～lμF之間。如前所述，在每塊電路板的直流供電電源上并聯(lián)多個大電容（濾除低頻）和多個小電容（濾除高頻）。

3.屏蔽

切斷干擾源的耦合途徑可以有效地減小干擾的影響。通常，干擾可以通過磁場、電場或電磁場耦合而進(jìn)入檢測系統(tǒng)。若能切斷這些耦合的途徑，就可以達(dá)到目的。

磁場屏蔽

在有干擾磁場發(fā)生的地方，只要有電感（當(dāng)然也包括電路或設(shè)備的引線電感、分布電感），就會在這些電感上感應(yīng)出干擾信號。所隊磁場干擾也稱電感耦合干擾。例如，電源變壓器有漏磁場，則它就有可能通過電感而造成磁場干擾。

為消除磁場的干擾，可實行磁場屏蔽。正如式(18-1)所描述的那樣，受磁場耦合干擾的大小由兩個因素決定：干擾源電流的大小和互感的大小。因此，消除或減小磁場干擾就應(yīng)從這兩個方面來做工作。實現(xiàn)對磁場的屏蔽有多種形式，例如用低電阻率的金屬材料做成盒子，將可能產(chǎn)生變化磁場的部件放在盒內(nèi)，當(dāng)部件工作時會在盒壁上產(chǎn)生渦流，抵消了部件產(chǎn)生的磁場，從而保證部件的磁場不致泄漏。顯然，也可以用高磁導(dǎo)率材料做成盒子，將易受磁場干擾的電路放在盒內(nèi)，外部干擾磁場可以通過高磁導(dǎo)率的盒子流過而不干擾電路。

電場屏蔽

電場屏蔽也稱為靜電屏蔽。電場的干擾主要是由分布電容的耦合產(chǎn)生的，因此抑制電場產(chǎn)生的干擾就是想辦法將分布電容減到最小，同時用將電荷導(dǎo)入大地的辦法消除靜電荷的影響。例如，圖18-7所示電路中利用在變壓器的一次側(cè)與二次側(cè)之間插入金屬導(dǎo)體接地，從而達(dá)到一次側(cè)與二次側(cè)電場屏蔽的目的。

電磁屏蔽

電磁屏蔽的目的包括兩個方面：一是防止外部高頻電磁場輻射對電路的干擾，二是防止

系統(tǒng)內(nèi)部電路的輻射干擾其他電路。

屏蔽措施

采取屏蔽的手段是抑制磁場、電場及高頻輻射干擾的有效方法。

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①

采用金屬屏蔽箱

將電子系統(tǒng)放入金屬屏蔽箱內(nèi)，并將屏蔽箱接地。構(gòu)成金屬屏蔽箱的材料有多種，有的電阻率低而有的磁導(dǎo)率很高。在使用時可根據(jù)電子系統(tǒng)的具體情況選擇不同的金屬。例如，電阻率低的材料有銀、銅等，而磁導(dǎo)率高的有坡莫合金、硅鋼等。

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②

采用金屬編織網(wǎng)

現(xiàn)在廠家為用戶生產(chǎn)各式各樣的金屬編織網(wǎng)、金屬編織網(wǎng)套管、帶橡膠心的編織網(wǎng)屏蔽襯墊，它們可以用于機(jī)箱、機(jī)柜、屏蔽室的縫隙處的屏蔽。屏蔽箱上的通風(fēng)孔、縫隙均有可能泄漏電磁干擾或?qū)腚姶鸥蓴_。利用這種產(chǎn)品可以消除這種情況的發(fā)生。

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③

采用導(dǎo)電橡膠制品

廠家為用戶生產(chǎn)各種導(dǎo)電橡膠制品，利用導(dǎo)電橡膠制成各種屏蔽襯墊、屏蔽板、屏蔽條，用戶可將板、條貼在機(jī)箱內(nèi)，也可以將導(dǎo)線放在襯墊或?qū)щ娤鹉z管中進(jìn)行屏蔽。

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④

導(dǎo)電薄膜

如果電子設(shè)備放置在不導(dǎo)電的塑料箱中，為實現(xiàn)屏蔽可以采用將機(jī)箱涂上一層導(dǎo)電涂料或貼上一層導(dǎo)電薄膜，將整個機(jī)箱包起來。

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⑤

其他

在本章前面的抗干擾介紹中，曾多次提到同軸電纜、屏蔽雙絞線、屏蔽線、屏蔽盒等。在它們的應(yīng)用中都是用于電磁屏蔽的，經(jīng)實踐證明是行之有效的。當(dāng)進(jìn)行檢測系統(tǒng)設(shè)計時，如果實際工程中需要，可加以采用。

18.9靜電及其防護(hù)

靜電對每一個人來說都會遇到。在干燥的秋冬季節(jié)，經(jīng)常會出現(xiàn)靜電放電現(xiàn)象。在檢測系統(tǒng)中，會用到輸入阻抗很高的場效應(yīng)器件及MOS(CMOS)集成電路，靜電有可能會損壞這些器件。因此，在系統(tǒng)設(shè)計時必須注意靜電防護(hù)的問題。

1.靜電的產(chǎn)生

靜電的產(chǎn)生主要有如下兩種方式。

(1)摩擦生電兩種不同的物質(zhì)接觸、分離或摩擦均可以產(chǎn)生靜電荷，這就是俗稱的摩擦生電。靜電荷只分布在物體的表面而不在其內(nèi)部。而絕緣體上的電荷僅保留在產(chǎn)生靜電的區(qū)域，只有該區(qū)域接地時電荷才會消失。導(dǎo)體的靜電一旦接地立即消失。

(2)感應(yīng)生電導(dǎo)體在靜電場的作用下，其表面不同部位會感應(yīng)出不同的電荷，使導(dǎo)體表面的電荷重新分布，從而使原先不帶電荷的導(dǎo)體變成了帶電導(dǎo)體。

2.靜電的危害

據(jù)文獻(xiàn)介紹人體的等效電容為50～250pF，而等效電阻為1～5kΩ。人體的電抗為兩者串聯(lián)。人體在不同的情況下所帶靜電電壓是不一樣的，最高可達(dá)20000V。如果靜電電壓很高時，必然會對電子元器件造成影響。

（1）使器件擊穿或性能變壞

各種半導(dǎo)體器件，例如晶體二極管、晶體三極管、結(jié)型場效應(yīng)管、運(yùn)算放大器、TTL集成電路等，它們的耐靜電放電的電壓耐受力在幾百伏到三千伏的范圍。而MOS場效應(yīng)管、EPROM芯片等器件的耐靜電放電的電壓耐受力低于200V。當(dāng)帶有數(shù)千伏乃至上萬伏的人體接觸這些器件產(chǎn)生直接放電時，很容易造成這些器件的損壞。

另外，由于靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)而造成的器件的損壞也十分常見。當(dāng)帶有高靜電壓的電場接近那些靜電敏感器件時，器件會因為極化而損壞。當(dāng)帶有高